用于检测多孔结构件中的水的方法和设备

摘要

本发明涉及结构件(1)的腔室(12)，例如具有蜂窝芯和碳纤维复合涂层的夹层结构件隔室中的液体(11)的检测。该结构件通过激发波(14，42)受到频率为声域中的f

说明书

技术领域

本发明涉及结构件的无损测试领域。具体地说，本发明涉及结构件的内腔中的液体的检测和定位。

背景技术

在机械构造的结构件领域中，尽可能轻地制造结构件同时仍确保其结实而刚硬的目的通常产生负载相对较高的包括腔室的结构部件。

这种结构部件的形式和组成多种多样，对应于被称为“夹层”结构件的其中一种最常见形式具有蜂窝状的多孔芯。

多孔芯夹层结构件1如图1中的截面所示通常包括由事先装有空气的中空隔室12形成的芯2，在其各表面即底面和顶面上具有坚实的表皮护板(revêtement)，分别为附图标记4、3。

这种结构件由于其非常有利的刚性-强度/重量比而尤其用于航空构造。

在也公知的一个具体实施方式中，夹层结构件的表皮护板3、4由包括在固化树脂中保持就位的纤维——玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、碳纤维等——的合成物制成，多孔芯2的中空隔室12由片材中产生的壁形成，该片材成形为限定呈通常规则的晶格形式的隔室。当该晶格由六角形截面的隔室构成时，通常用“蜂窝”表述。

在大多数情况下，表皮护板以及隔室壁所用的材料相对不能透过常见流体，从而产生其中各隔室构成基本闭合并密封的腔室的情形。

这种结构件的一个缺陷源于中空隔室易于或多或少地填充水，这些水不能自然去除。一方面，这具有不必要地增大期望为轻质结构件的结构件的重量的后果，另一方面具有通过各种物理化学作用削弱制造结构件所用的材料的具体机械特性或者削弱各种组装元件之间尤其是多孔材料和表皮护板之间的结合质量而降低结构件的强度的后果。

中空隔室中水或一般液体的存在通常视为结构件的主要缺陷，其存在通常不能预测，不管存在液体的原因是什么——结构件制造期间的水形成过程或者后继渗透至隔室中的液体渗透，重要的是检测隔室中液体的存在，定位液体的位置并量化其量，从而采取必要动作以移除该液体的最大可能量。

这种腔室结构件中的液体的检测是长期存在的问题。然而，传统方法存在重要缺陷。

除了局限于其中所用的材料对于利用光学手段观察隔室中的液体来说足够透明的情况的目视检查以外，已长时间使用并且本领域技术人员公知的方法基于声学检测原理。

基于该原理的超声波型方法尤其适用于连续紧实介质。在多孔——低密度腔室——结构件的情况下，声波传播困难并且不能以必要精度判别液体的存在。

在编号为EP 0 938 653公布的专利中公开了一种纯声学衍生方法，其适于检测封闭空间——在该示例性中为瓶——中的液体水平。根据该专利，通过磁场在该瓶中引起振动并由话筒接收响应于该振动的声信号。可从该接收到的声信号的特性推断瓶中液体的存在和液体的水平。然而，在多腔室材料的情况下，例如这里考虑的情况，由于回声弱，该方法不允许有效检测腔室中的水的存在。

也已经想到尤其旨在利用其它物理原理检测多孔芯夹层结构件中的水的存在的其它方法。

根据这些其它方法中的一种方法，由于水与探寻其中的水存在的材料具有非常不同的热力学性质，因而提出了产生受温度变化的部分的热像图。在该情况下，由于水与该部分材料之间的热惯性差异，对应于水的区域出现温度变化不如不存在水的区域快，热像图能够检测表面温度中的差异，因此能够检测含水区域。

在编号为JP 62024134公开的专利中公开了这类方法的一个实施例，然而这类方法具有缺陷，一方面其通常需要移除所述部分以对其进行调查研究，另一方面需要在适于实施测量的条件下对该部分进行冷却或加热的实质性手段。

根据另一种方法，利用电磁微波检测隔室中水的存在，在水存在的情况下电磁微波的传播发生改变。

然而，当所用的能量水平显著时，就人员保护要采取的预防措施而言电磁微波的利用受到限制。

此外，在利用碳纤维基材料制成的表皮护板或具有金属表面——例如借助青铜网金属化的表面，多数部件都是如此——的夹层结构件的情况下出现困难。

在基于碳纤维的结构件的情况下，表皮护板中的碳引起高度损耗并且信噪比对检测极其不利。

当青铜金属网覆盖表面——现代航空材料常常如此——时，表皮护板导电因而阻止任何电介质类型的测量。

为解决该问题，编号为FR 2 880 424公开的专利描述的方案描述了一种利用电磁微波的检测系统，其包括在两个表皮护板材料之间置于夹层护板的多孔材料中的天线。然而，适用于碳纤维基表皮护板情况的该方案需要对部件进行修改以安装天线。结果，部件更复杂、更薄弱而且更重，并且该方案不能容易地用于多数现有部件或者由于成本原因或其它原因在制造期间未设有这些天线的部件。

通常，青铜网的存在阻止其中通过雷达装置——在无线电、微波或毫米波频率范围内——测量腔室中流体水平这样的类型的任何方法，因为青铜网反射这些频率范围内的大多数无线电波。为减轻这些缺陷，通常需要降低工作频率，但是这具有急剧降低测量精度的后果并阻止以足够精度实施液体水平测量。

发明内容

本发明的目的特别在于通过使声学范围中的结构件振动激发与结构件的电磁振动响应检测相结合而减少现有技术的用于检测结构件的腔室中的液体的技术遇到的困难。

因而，根据检测结构件的腔室中的液体存在的方法，在该方法中所述结构件通过激发波而受到机械振动，并且在所述结构件的探寻腔室中的液体的存在的区域中受到入射电磁波。

最终，对所述入射波在所述结构件的元件上反射的反射电磁波进行分析，从而从其推断腔室中是否存在液体，所述反射波具有根据腔室中是否存在液体进行调制的特性。

为了在结构件的腔室中存在的液体的表面上形成与不存在液体的情况下结构件的响应频率完全不同的法拉第波，所述激发波的一个分量由频率为f_m——优选在声波范围内——的近正弦振动激发产生，其能够以激发频率f_m的分谐波频率激发腔室中的液体的表面振荡。

为了提高该方法的灵敏度，所述激发波的一个分量还由相对于频率f_m偏移的频率f_m2的振动激发产生，借此能够在液体的表面上形成驻波图案并增强液体对结构件响应的振动响应。

为了改善信噪比，有利的是对所述激发波的其中一个分量的频率进行调制，尤其是通过白噪声或伪白噪声进行调制。

由于腔室中存在的液体的振动响应频率与结构件中的振动响应频率大不相同，所述方法可利用高信噪比从反射波的频谱中的预定谱线的检测推断液体的存在。

具体地说，从所述反射波的频谱中的分别与激发频率f_m和/或f_m2的频率为f_m/2和/或f_m2/2的分谐波对应的至少一个预定谱线的检测推断液体的存在。

根据本发明，一种适于实施结构件的腔室中的液体存在的检测方法的设备包括：

-用于在所述结构件中产生至少一个振动机械激发波的第一装置；

-用于在所述结构件的探寻液体存在的区域中产生入射电磁波的第二装置；

-用于测量由接收所述入射波的所述结构件反射的电磁波的第三装置；以及

-第四处理和/或显示装置，其能够显示在所述反射波的频谱中感生波的至少一个特征谱线(raie spectrale caractéristique)的存在，所述感生波通过所述机械激发波在所述结构件的腔室中所含有的液体的表面上产生。

为了制造紧凑设备，至少是针对探头部件，该探头包括利用压电技术的轮环，该轮环能够机械振动从而产生频率为f_m或者频率为f_m及相对于频率f_m偏移的f_m2的机械激发波。

有利的是，利用所述轮环的中空部，从而设置：

-用于发射并接收电磁波的天线；和/或

-压电部件所用的供应电子器件的全部或部分；和/或

-用于传送入射电磁波的天线所用的供应电子器件的全部或部分；和/或

-用于检测反射电磁波的检测电子器件的全部或部分；和/或

-信号处理电子器件的全部或部分。

附图说明

参照附图详细描述本发明的一种实施方法以及一个实施方式，在附图中：

图1a是根据本发明的方法和设备的原理图；

图1b是示出图1a中所示的方法和设备的实施的原理图；

图2a是利用图1a中所示类型的机构(montage)在不存在液体的结构件中观察到的反射波谱的实施例的图示，频率对应于横坐标，功率对应于纵坐标；

图2b是在与图2a相同的情况下在腔室中存在液体的结构件中观察到的反射波谱的实施例的图示，频率对应于横坐标，功率对应于纵坐标；

图3是在对应于图1b所示的图的双频机构的情况下反射波谱的图示；

图4是在其中一个频率被调制的根据图1b所示的图的双频机构的情况下反射波谱的图示；以及

图5是用于根据本发明设备的结合有声学功能和雷达功能的探头的示意图示。

具体实施方式

本发明用于检测具有至少一个腔室12的结构件1中的液体11——例如水——的存在，其原理在图1a中示出。

由于实施根据本发明方法的一种方式以及根据本发明设备的一个实施方式的详细描述的要求，具有至少一个腔室的所述结构件由护板(panneau)的结构件1表示，其在所涉及区域的范围内基本平坦，包括多孔芯2和在多孔芯2的表面上的表皮护板，即上表皮护板3和下表皮护板4。

芯的各隔室12构成腔室，其端部由上表皮护板和下表皮护板封闭。

护板1在实践中包括多个腔室12，由于因而需要定位存在液体的一个腔室或多个腔室，因此这在实践中带来某些腔室中的液体检测更复杂的问题。

具有这种结构的护板——其中隔室具有规则六角形截面——通常称为蜂窝芯夹层护板。

然而，选择这种常用结构件描述本发明不受限制。

公知的，提到的护板的表皮护板3、4由在固化树脂中保持就位的纤维形成的合成物制成，例如由固化聚酰胺树脂保持就位的玻璃纤维或碳纤维，并且形成蜂窝隔室的壁由在实践中比碳纤维基材料——例如基于玻璃纤维或基于有机材料薄板的材料——更经济的合成物制成。

根据本发明的方法，包括多个腔室12，某些腔室易于含有液体11的待检查的结构件1受到机械激发从而振动。

所述机械激发优选通过频率f_m落于声频范围内的正弦激发而实施。

实施待检查的结构件1的机械激发以使得被称为激发波的声波14在结构件1中传播。

当激发波14到达含有液体11——例如液态形式的水——的隔室12时，所述波通过非线性效应在水的自由表面上产生新波16，称为感生波，还以法拉第波为大家公知。

感生波16主要为激发波的1/2的分谐波，即所述感生波是仅流体现象可产生的频率为f_m/2的波。

此外，结构件1在探寻液体存在的区域中受到电磁波17。

电磁波17优选为通过CW雷达——连续波——所产生的波型式的等幅雷达波。

用适于构成多孔结构件的合成物的材料的频率并且尤其根据位于电磁波源与要检测的可能液体之间的表皮护板的材料，选择称为入射波的电磁波17，使得所述表皮护板仅引起合理衰减，例如＜120dB。

具体地说，当多孔结构件1在由入射波17穿过和/或供待观测的反射波穿过的表面上覆盖有电磁屏蔽——例如，导电网——时，必须小心选择入射波17的频率，从而防止所述入射频率而且还防止期望的反射波频率对应于使衰减最大的禁用频带。

公知地，入射波的频率的选择也是将结构件1的材料中的损失——所述损失取决于材料，随着频率的增大而增大——保持在所使用的测量装置的可接受水平与探寻的空间敏感度——频率越大分辨率越高——之间的折中。

根据本发明的方法，在选择入射波17的频率时将这些参数考虑在内，可将所述入射波所用的功率限制到相对较低的水平，从而限制与电磁辐射相关的生理风险。

入射波17被沿其路径存在的各种元件反射，尤其是被隔室中可能存在隔室中液体的自由表面反射，从而形成被所述各种元件的机械振动调制的反射波18。

当隔室中存在液体11时，由所述液体的表面反射并受到机械激发频率f_m的波18不仅由与频率为f_m的激发波14相关的结构件的振动——即，频率为f_m的振动以及频率为f_m的多个谐波——调制，而且由在所述液体的所述表面处具有分谐波频率尤其是频率为f_m/2的感生波16引起的结构件的振动调制。

反射波18的测量值的处理，可提取用于识别受到入射波17的一个或多个隔室中是否存在液体的有用信号。

该处理包括反射的电磁波18的基带频谱分析，以检测激发频率的可能分谐波。

该方法的一个优点源于这一事实，即：一方面，与声波不同，电磁波对多孔材料的声缺特性(acoustic vacancies characteristic)的存在不敏感；另一方面，频率为f_m的原始激发的结果以及构成结构件的实体的内部的非线性引起的高阶(2、3、4等)谐波由于在感生波的探寻频谱中很好地分开，因而可有效地过滤出。

直接结果为有用信号的充足功率以及非常有利的信噪比，所述充足功率可没有特殊困难地测量。

以下等式示出反射波18如何受隔室中的液体存在的影响。

若入射波17由发射的电磁信号e(t)，例如频率为f_e幅值为E_e的正弦信号表征，则该信号表达为：

e(t)＝E_e×∈xp(j×2×π×f_e×t)

其中，j为虚数单位并利用所谓的指数符号，t为时间变量。运算符“×”对应于乘。

反射波18由信号s(t)表征。

由静态物体反射的信号s₀(t)对应于根据距物体T的电距离相移的发射信号e(t)，即：

s₀(t)＝E_e×∈xp[j×(2×π×f_e×t+T)]＝E_e×∈xp(j×2×π×f_e×t)×∈xp(j×T)

当信号s(t)被以频率f_m机械振动的物体反射时，接收到的信号为以下形式：

在该表达式中，a为与物体振动的机械振幅成比例的系数。

反射信号的该表达式也可利用k阶贝塞尔函数J_k表达：

$s\left(t\right)=E_e\times \in \mathrm{xp}(j\times T)\times \in \mathrm{xp}(j\times 2\times \pi \times f_e\times t)\times \underset{k=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}[J_k\left(a\right)\times \in \mathrm{xp}(2\times \pi \times f_m\times t)]$

该表达式对应于以频率f_e为中心的对称频谱线。

各线以频率f_m与相邻线分开。

在对应于本方法的应用的护板1的具体情况下，该信号尤其是在腔室中先验地反射若干次。

在隔室中不存在液体的情况下，信号因此具有以下形式，注意具有下标i的与各种反射相关的参数：

该信号的频谱同样对应于以频率f_e为中心的对称频谱线，各线与相邻线分隔距离f_m。

在至少某些隔室中存在液体的情况下，与反射波对应的信号包含以下形式的新的项，所述信号与液体11的表面上的感生波16的存在相关：

$s\left(t\right)=E_{e_i}\times \in \mathrm{xp}[j\times (2\times \pi \times f_e\times t+a\times \sin (2\times \pi \times f_m/2\times t))]\times \in \mathrm{xp}(j\times T)$

假设液体的分谐波响应以1/2分谐波为主导，则以上表达式还可表达为：

$s\left(t\right)=E_e\times \in \times \mathrm{xp}(j\times T)\times \in \mathrm{xp}(j\times 2\times \pi \times f_e\times t)\times \underset{k=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}[J_k\left(a\right)\times \in \mathrm{xp}(j\times 2\times \pi \times k\times f_m/2\times t)$

该信号的频谱对应于以频率f_e为中心的对称频谱线，各线与相邻线分隔距离f_m/2。

隔室12中液体11的存在因此由在反射波18的频谱中存在频率为f_m/2、3*f_m/2、5*f_m/2等的线证实，若隔室中不存在液体则不存在这些频率。

图2a示出在隔室中不存在液体的情况下以实验方式观察到的频谱的示例，图2b示出在蜂窝夹层结构件的护板的隔室中存在水的情况下频谱的示例。

在图2a的频谱中，频谱线是频率f_m的特征，并且与示出频率为f_m的分谐波的图2b的频谱相反，不能辨别出分谐波。

在与图1b的图示对应的根据本发明方法的改进形式中，为了提高液体检测的灵敏度，利用两种频率，即频率f_m和第二频率f_m2以机械振动方式激发结构件1，这两种频率彼此相近。

实际上，已知(例如参见1996年7月，Physical Review，Thomas Besson和W.Stuart Edwards的“Two-frequency parametric excitation”)利用两种频率使液体的表面振动会产生分谐波驻波。

频率f_m2的机械振动会产生在材料1中传播的波42，并与频率f_m的机械激发波14相干涉，从而在隔室12包含液体11时在液体11的表面产生干涉图案。

与频率f_m2对应的机械激发信号可对应于纯正弦信号或调制正弦信号。

图3示意性示出在这种情况下由电磁传感器在基带中接收到的频谱。

有利的是，利用白噪声或伪白噪声(M序列)对与频率f_m2对应的激发信号进行调制，从而能够利用自相关型信号处理方法，以提高要用的信噪比。

在实践中，M序列调制能够激发结构件或液体的非线性模式(寄生混合现象)。然而，若选择机械激发频率，使得所述频率彼此相近，即|f_m2-f_m|＜＜f_m/2，则频率混合产生的频带不覆盖1/2谐波，从而可确定材料在1/2谐波周围的声传递函数。

在这种情况下，寄生混合特性对于确定部件的机械特性——即非流体特性——是有利的。

图4以部件的机械频谱的示意图示出这些现象。

频率303对应于频率为f_m的第一机械振动，另一频率302对应于由M序列301调制的频率为f_m2的第二机械振动，

而且，由于含有液体的腔室的存在，半频率的机械振动306、307与由流体传递函数相乘的白噪声调制(线性系统范围内的公知结果)被在图4中的图表中标记为304所显示。

此外，在接近零频率处，由±m×f_m1±n×f_m2表征的混合产物305给出零频率周围的机械传递函数。该结果来自于以下事实，即：通过混合，白噪声转移至零频率的水平，并通过结构件1的机械传递函数而进行时间卷积(convolution temporelle)。

在某些环境下，测量信号可显示位于与机械激发直接相关的频谱外的谱线308、309。

这样的线是由于来自腔室中的液体的自由表面的小液滴的分离引起的，这样的每一小液滴可具有专有动能。这样的线308、309是特有的，并有利地用于改进检测液体存在的方式。

最后，有时观测到纯寄生型的其它线310，这些线主要对应于结构件的非线性。

因而，利用该方法，对反射波18的频谱的分析，可由于在所述频谱中存在某些线306、307、304、305、308而检测腔室12中的液体11的存在。

一种根据本发明的用于检测结构件1——例如所谓的蜂窝芯夹层结构件——的至少一个腔室12中的液体11的存在的设备包括：

-用于在结构件1中产生至少一个振动机械激发波14、42的第一装置10、13、40、41；

-用于在结构件1的探寻液体存在的区域中产生入射电磁波17的第二装置21、22；

-用于测量由接收入射波17的结构件1反射的电磁波18的第三装置15、19；以及

-第四处理和/或显示装置20，其能够显示在反射波18的频谱中感生波16的至少一个特征谱线的存在，所述感生波通过机械激发波14、42在结构件1的腔室12中所含有的液体11的表面上产生。

所述第一装置有利地包括与所述结构件接触的激发器10。

激发器10由优选传送频率为f_m的正弦信号的功率源13供应，所述频率优选位于声频范围内。

而且，当第一装置产生可被调制的频率为不同于f_m的f_m2的激发波时，所述第一装置有利地包括与结构件1接触的第二激发器40，所述第二激发器由输送频率为f_m2的信号的发电机41供应。

这样的激发器10、40有利地利用压电技术以公知方式制造，并由与待向结构件施加的激发信号对应的电压源供应。

优选的是，激发器10、40以连续机制激发，从而维持快速减弱的感生波16。

用于产生入射电磁波17的第二装置主要包括射频发生器22和天线21，天线21设计成沿结构件1的待分析区域的方向辐射，先验地靠近产生机械激发波14、42的激发器10、40其中之一或二者。

用于测量反射的电磁波18的第三装置主要包括天线15和用于解调所述反射波的装置19，装置19能够建立所述波的频谱。

在特别经济的实施方式中，用于解调反射的电磁波18的装置19主要由单个自振荡混频器构成。

第二装置的发射天线21以及/或者第三装置的接收天线15优选为定向天线，可用同一天线发射入射波17并接收反射波18。

所述第二和/或第三装置的方向性使得可限定正研究的结构件1的区域，并因此在检测到液体存在时定位含有液体11的腔室12在所述结构件中的位置。

第四装置20由用于处理反射的电磁波18的频谱的任何装置构成，从而可显示预示结构件1的腔室12中高度可能存在液体11的其中一个结果。

在具有最少数据处理的实施方式中，频谱以图形形式提供，从而使得实验操作者可在正在研究的背景下解释频谱中的各种线。

优选的是，在通过计算机单元采样之后处理信号，从而允许自动检测发射波18的频谱中的预示腔室中存在液体的线。

在这种情况下，由显示器，任选地与用于吸引操作者注意的音频信号一起指示与可能存在液体对应的情况，显示器和/或音频信号优选进行调制，以便提供与设备正在测量的区域中可能存在的液体量有关的信息，可从反射波频谱的各种线的相关强度推断出这样的信息。

在一个具体实施方式中，所述设备关联有例如利用微型喷嘴沉积墨的装置(未示出)，从而例如利用颜色与结构件表面形成对比并可易于移除的墨在检测为腔室中含有液体的区域上沉积彩色标记。这样的标记设备因而可接着该设备在不中断搜寻阶段的情况下扫描大面积的结构件，并且在后继处理阶段能够即刻识别潜在包含液体的区域，以实施更详细的局部检查或者实施从结构件移除液体通常必需的排放操作。

图5中示出了从经济和操作角度尤其有利的一个实施方式，用于制造适于所述设备并适于实施所述方法的紧凑探头401，其能够实施机械激发、电磁辐射以及电磁测量功能。

所述设备的紧凑探头401包括以压电方式制造的不完全对称的轮环407，其与以上所见产生与机械激发频率f_m和fm₂对应的频率的频率发生器相连。

公知，由压电材料制成的轮环支持两种退化振动模式，即具有相同频率的模式。只有在完全对称时才具有这一特性。

当对称被破坏时，轮环能够以贴近但分开的两种频率f_m和fm₂谐振。重物或槽408通常足以破坏轮环407的对称性。

在轮环内部留有足以安装以下部件的空间409，若证实有利，即若由于这些部件的尺寸或散热不期望将其安在别处则进行该安装，这些部件即：

-用于传送并接收电磁波17、18的天线402。天线402例如由开放式同轴电缆构成，如图5中所示，其能够在所涉及的频率范围内辐射，由片状天线或谐振腔天线(膜孔耦合或不耦合)或任何其它合适的天线构成；

-频率发生器所用的电子器件以及用于放大信号以供应压电部件的电子器件的全部或部分；

-用于发射入射电磁波17的天线所用的供应电子器件的全部或部分；

-用于电磁检测部件403——例如自振荡混频器或与混频器相连的振荡器——的电子器件的全部或部分；以及

-信号处理电子器件404的全部或部分。

因此，可制造一种设备，其使用小的轻型探头，该探头可容易地移动至结构件的表面，以检测该结构件的腔室中的液体——尤其是水——的存在。

所述设备被用于检测护板——但不专用于具有基于碳纤维的表皮护板的蜂窝芯夹层式护板——中液体形式的水的存在，在这样的护板中当在其中一个表皮护板上覆盖有金属网时通过这样的金属网，所述网通常位于护板的更容易接近的表面侧。

所述设备使得可不仅在工厂中探寻水的存在，而且由于其可制成具有足够小的尺寸，可例如在飞行器上在不移除所安装的部件的情况下使用。